일반물리학 실험보고서원운동과 구심력학과 : 전자공학과학번 :이름 :공동실험자 :담당교수 :담당조교 :실험날짜 :제출날짜 :학과전자공학과학번이름실험일시공동실험자담당조교온도x습도x기압x1. 실험 목적원운동을 하는 물체의 질량, 운동반지름, 그리고 구심력 사이의 관계를 알아보고 몇 가지 변수가 원운동을 하는 물체의 구심력에 어떤 영향을 주는가를 알아본다.2. 실험 원리점 O를 중심으로 반지름 r로 등속 원운동을 하는 질량이 m인 물체를 생각해 보자.vec{v _{p}}와vec{v _{q}}는 각각 점p와q에서 물체의 속도이다.vec{v _{p}}와vec{v _{q}}의 크기는v로 같지만 방향은 다르다. 속도의x축과y축 성분은 다음과 같다.v _{px} `=`v`cos theta ,v _{py} `=`v`sin theta v _{qx} `=`v`cos theta ,v _{qy} `=`-v`sin theta물체가 점p에서 점q로 움직이는 데 걸리는 시간은DELTA t``= {(호의`길이`pq)} over {v} `=` {r(2 theta )} over {v}이므로, 물체의 가속도 성분은 다음과 같이 주어진다.a _{x} = {v _{qx} -v _{px}} over {TRIANGLE t} = {v`cos theta -v`cos theta } over {TRIANGLE t} =0a _{y} & = {v _{qy} -v _{py}} over {TRIANGLE t} = {-v`sin theta -v`sin theta } over {TRIANGLE t}#& =- {2v`sin theta } over {2r theta /v} =- {v ^{2}} over {r} {sin theta } over {theta }점p와q가 점점 가까워져 점s근처에서 만난다고 생각하면 각theta 가 작아져서sin theta CONG theta````이 되므로, 점s에서 물체의 가속도vec { a }는vec { a } =- { v^{ 2 } } over { r } hat { y }가 된다. 여기서 (-) 부호는 점P`에서 아래로 향하는 것을 의미하는데 원의 중심을 향하는 것이다.위에서 구한 구심 가속도를 이용하여 물체에 작용하는 구심력을 구하면F=ma=m { v^{ 2 } } over { r }이다. 각속도를omega라 하고 한 번 회전하는데 걸리는 시간, 즉 주기를T 라 하면 각속도와 속도는 각각 다음과 같이 주어진다.omega = { 2 pi } over { T }v=r omega이들을 < 식 7 > 에 대입하면 구심력F는 다음과 같이 나타내어진다.F= {4 pi ^{2} mr} over {T ^{2}}구심력 측정 실험 장치에서 중앙 지지대의 도르래와 연결된 실이 수평인 상태에서 물체를 일정한 속도로 회전시키면, 물체에 작용하는 구심력은 실의 장력이 된다. 이 실이 도르래를 통해 용수철과 연결되어 있으므로 실의 장력은 용수철의 탄성력과 같다. 따라서 이때의 용수철의 탄성력을 측정하면 구심력을 알 수 있다. 회전대를 정지시키고 장치를 하여 회전할 때와 같은 길이로 용수철을 늘어나게 하는 추와 추걸이의 무게(Mg)를 측정해서 회전시킬 때의 용수철의 탄성력, 즉 구심력을 구한다. 이를 < 식 10 > 과 함께 식으로 나타내면 다음과 같다.F _{구심력} = {4 pi ^{2} mr} over {T ^{2}} =Mg3. 실험 기구 및 재료구심력 측정 장치, 초시계, 추와 추걸이, 저울, 실4. 실험 방법실험 1 ) 회전 반경 r을 변화시키면서 측정물체의 질량과 구심력을 일정하게 유지시키고 회전 중심 O에서 물체까지의 거리 (반경r) 를 변화시키면서 회전 주기 T를 측정한다.① 물체의 무게를 측정 한 후 그림2와 같이 측면 지지대에 매달고 중앙 지지대의 도르래 아래를 거쳐 용수철과 실로 연결한다. 물체가 매달린 실이 측면 지지대의 수직선과 일치할 때 도르래에 연결된 실이 수평이 되는지 확인하고, 수평이 되지 않으면 측면 지지대에 매달린 실의 길이를 조절한다.② 조임 장치가 있는 도르래를 회전대 끝에 고정시킨다. 추의 질량을 선택하고 추와 추 걸이의 무게를 잰다. 물체의 빈 고리에 실을 연결하고 추와 추걸이를 도르래 위를 걸쳐서 매단다.③ 회전반지름 r을 선택하여 측면 지지대를 고정시킨다. 매달린 물체가 측면 지지대의 수직선과 일치 하도록 중앙 지지대의 용수철 고정 선반의 높이를 조절한다. 이로써 용수철의 탄성력이 추와 추 걸이의 무게와 같아진다.④ 중앙 지지대의 지시기 선반의 높낮이를 조절하여 오렌지색 지시기 판이 지시기 선반과 일치하도록 조절한다.⑤ 추 걸이와 조임 장치 있는 도르래를 회전대에서 분리한다.⑥ 회전대를 회전시키고 오렌지색 지시기 판이 지시기 선반과 일치할 때까지 속도를 증가시킨다. 지시기 판이 지시기 선반과 일치할 때 물체는 수직으로 매달려 있으며, 설정된 반지름으로 회전한다.⑦ 이 속도를 유지하면서 10회 회전 시간을 초시계로 잰다.⑧ 회전 반경 r을 일정한 간격으로 증가시키면서 ③ ~ ⑦의 과정을 반복한다.⑨ 측정값으로부터r - T^2의 그래프를 그리고 최소 자승법(최소 제곱법)으로 기울기를 구한다. 그리고 기울기로부터 구심력을 계산하여 추와 추걸이의 무게와 비교한다.실험 2 ) 구심력의 크기를 변화시키면서 측정물체의 질량과 회전 반경을 일정하게 유지시키고 구심력을 변화시키면서 회전 주기T를 측정한다.① 실험 1의 ① ~ ⑦번까지의 과정을 한 번 실행한다.② 조임 장치가 있는 도르래를 회전 대 끝에 고정시킨다. 추의 질량을 다르게 선택하고 추와 추 걸이의 무게를 잰다. 물체의 빈 고리에 실을 연결하고 추와 추 걸이를 도르래 위를 걸쳐서 매단다. 이때 추와 추 걸이의 무게가 구심력을 결정하게 된다.③ 매달린 물체가 측면 지지대의 수직선과 일치하도록 중앙 지지대의 용수철 고정 선반의 높이를 조절 한다. 중앙 지지대의 지시기 선반의 높낮이를 조절하여 오렌지색 지시기 판이 지시기 선반과 일치하도록 조절한다.④ 추 걸이와 도르래를 회전 대에서 분리한다.⑤ 회전 대를 회전시키고 오렌지색 지시기 판이 지시기 선반과 일치할 때까지 속도를 증가시킨다.⑥ 이 속도를 유지하면서 10회 회전 시간을 초시계로 잰다.⑦ ② ~ ⑥의 과정을 반복한다.⑧ 측정값으로부터F(Mg ) - T^-2의 그래프를 그리고 최소 자승법(최소 제곱법)으로 기울기를 구한다. 그리고 기울기로부터 물체의 질량 m을 계산하여 저울로 측정한 질량과 비교한다.5. 측정값실험 1 ) 회전 반경 r을 변화시키면서 측정물체의 질량 : m = 0.0984kg추와 추걸이의 질량 : M = 0.0456kg< 표 1 > 실험 1 측정값반경 r(m)10회 회전 시간(s)주기 T(s)T^2(s^2)10.1510.221.0221.04420.1710.681.0681.14130.1910.901.0901.188실험 2 ) 구심력의 크기를 변화시키면서 측정물체의 질량 : m = 0.0984kg회전 반경 : r = 0.15m< 표 2 > 실험 2 측정값M(kg)구심력(Mg)(kg.m/s^2)10회 회전 시간(s)주기 T(s){ 1} over {T^2 }(s^2)10.02560.250913.721.3720.531220.04560.446910.061.0060.988130.06560.64298.590.8591.35526. 실험 결과실험 1 ) 회전 반경 r을 변화시키면서 측정그래프의 기울기 :F/4 pi ^{2} m = 0.0718± 0.2079m/s ^{2}그래프의 기울기로부터 구한 구심력 : F = 0.2786± 0.8068 N추와 추걸이의 무게로부터 구한 구심력 : Mg = 0.4469 N두 구심력의 백분율차 : 16.83%실험 2 ) 구심력의 크기를 변화시키면서 측정그래프의 기울기 :4 pi ^{2} mr = 0.412± 0.0331kg BULLET m그래프의 기울기로부터 구한 물체의 질량 : m = 0.0696kg위의 값과 저울로 측정한 물체의 질량과의 백분율차 : 2.88%7. 결과에 대한 논의실험 1 ) 에서는 질량을 일정하게 하여 구심력을 유지시키고 회전반경 r을 변화시키면서 주기 T를 측정하였다. 측정한 값으로부터r-T ^{2} 의 그래프를 그리면 이 그래프의 기울기가
일반물리학 실험보고서선운동량 보존 법칙학과 : 전자공학과학번 :이름 :공동실험자 :담당교수 :담당조교 :실험날짜 :제출날짜 :학과전자공학과학번이름실험일시공동실험자담당조교온도x습도x기압x실험 목적공기 미끄럼대로 조건이 다른 1차원에서의 완전 탄성 충돌 실험을 하여 충돌 전후의 선운동량과 운동 에너지의 변화를 알아본다.2. 실험 원리운동량 vecP는 물체의 질량 m에 그 물체의 속도 vecv를 곱한 값으로 정의된다. 즉,vec{P} ````= ``m vec{v}로 나타내고, 벡터량으로 속도와 같은 방향이다. 운동량 보존 법칙이란 고립계(즉, 마찰 또는 저항이 없을 때의 총 운동량은 보존된다는 것이며, 다음과 같이 나타낸다.vec{P}``=`` sum _{ i}vecP_i ``=``vec{P_1}+vec{P_2}+vec{P_3}+`````...```=일정따라서 입자들이 서로 충돌할 경우, 운동량 보존 법칙에 따라 충돌 전의 운동량의 합은 충돌 후의 운동량의 합과 같다.완전 탄성 충돌일 때, 일차원에서 정지({vec{v _{2}}} =0)해 있는 한 물체에 다른 한 물체가 속도 {vec{v _{1}}}으로 충돌하는 경우 충돌 후 두 물체의 속도를 구해 보자. 완전 탄성 충돌이므로 운동량과 운동 에너지가 모두 보존된다. 식으로 나타내자면m _{1} {vec{v _{1}}} ``=``m _{1} {vec{v}} prime _{1} ``+``m _{2} {vec{v}} prime _{2}{1} over {2} m _{1} v _{1} ^{2} ``=`` {1} over {2} m _{1} v _{1} prime ^{2} ```+``` {1} over {2} m _{2} v _{2} prime ^{2}이고 두 식을 연립하면{vec{v _{2}}} prime = {2m _{1}} over {m _{1} ```+m _{2}} v _{1}{vec{v _{1}}} prime = {m _{1} ``-``m _{2}} over {m _{1} ```+m _{2}} v _{1}이 된다. 이루어진다. 외부의 물리적 작용이 없을 때 운동에너지와 위치에너지의 합은 일정하게 유지된다. 그리고 위치에너지가 운동에너지로, 또는 그 반대로 전환되기도 한다.역학적 에너지가 서로 전환될 때, 마찰이나 공기의 저항 등으로 손실되는 에너지가 없다면 감소하는 양과 증가하는 양은 항상 같다. 따라서 위치에너지와 운동에너지의 합인 역학적 에너지는 일정하게 유지되는데, 이를 역학적 에너지 보존법칙이라 한다.3. 실험 기구 및 재료공기 미끄럼대, 송풍기, 활차, 포토게이트 계시기, 수평계, 추, 저울, 자, 발사기, 완충기4. 실험 방법공기 미끄럼대에 송풍기를 연결하고 수평계를 사용해서 미끄럼대가 수평이 될 수 있도록 나사를 조정한다.송풍기를 켜고 활차를 미끄럼대의 가운데에 올려놓고 활차가 움직이는지 확인한다. 만약 활차가 좌 또는 우로 움직인다면 미끄럼대의 수평을 다시 조정하거나 송풍기의 출력을 적당하게 조절한다.포토게이트 계시기의 모드는 GATE 모드로 하고 RESET 버튼을 누른다.미끄럼대의 한쪽 끝에 있는 활차 발사기를 이용하여 활차 하나를 발사한다. 발사기의 고무줄의 수축 정도를 조정하여 발사하는 힘의 크기를 조절한다. 가하는 힘이 가능한 수평으로 작용하도록 하고, 포토게이트 계시기가 정상 작동하는지 확인한다. 몇 차례 예비 실험을 한 후 실험을 시작한다.활차에 결합된 속도판의 폭을 측정하고 속도판이 포토게이트 계시기를 지나는 데 걸리는 시간을 측정하여 활자의 속도를 계산한다. 속도를 계산할 때 활차가 움직이는 방향을 고려하려 (+) 또는 (-) 부호를 표시한다.각 실험에서 활차의 초기 속도를 일정하게 유지하도록 한다.실험 1 ) 완전 탄성 충돌 활차 한 개를 사용하는 경우활차의 질량과 속도판의 폭을 재고 기록한다.활차 1개와 포토게이트 계시기 1대를 사용하여, 공기 미끄럼대 반대쪽 끝 부분을 향하여 활차를 발사 시켜 탄성 충돌시킨다.활차가 포토게이트 계시기를 지날 때의 시간과 완전 탄성 충돌 후 되돌아 와 계시기를 다시 지날 때의 시간을 측정한다.충돌 후 속부착되면 완충기로 사용된다.실험 2 ) 완전 탄성 충돌 질량이 같은 두 활차의 경우포토게이트 계시기에 포토게이트 두 개가 설치되어 있는지 확인한다.질량이 같은 두 개의 활차를 준비한다.활차의 질량과 속도판의 폭을 재고 기록한다.활차 하나는 미끄럼대의 중앙에 정지시켜 두고, 다른 하나는 발사기로 발사를 하여 충돌시킨 다음 충돌 전후 활차가 계시기를 지나는 데 걸리는 시간을 각각 측정한다.충돌 전후의 속도를 계산하고 상대오차를 구한다.실험 3 ) 완전 탄성 충돌 질량이 다른 두 활차의 경우(가벼운 활차에 힘을 가할 때)한 개의 활차 양쪽 면에 같은 질량의 추를 올려 질량을 증가시킨 후 활차의 질량과 속도판의 폭을 재고 기록한다.무거운 활차를 미끄럼대의 중앙에 정지시키고 가벼운 활차를 발사하여 충돌시킨 다음 충돌 전후 활차가 계시기를 지나는데 걸리는 시간을 각각 측정한다.충돌 전후의 속도를 계산하고 상대오차를 구한다.실험 4 ) 완전 탄성 충돌 질량이 다른 두 활차의 경우(무거운 활차에 힘을 가할 때)활차의 질량과 속도판의 폭을 재고 기록한다.가벼운 활차를 미끄럼대의 중앙에 정지시키고 무거운 활차를 발사하여 충돌시킨 다음 충돌 전후 활차가 계시기를 지나는데 걸리는 시간을 각각 측정한다.충돌 전후의 속도를 계산하고 상대오차를 구한다.5. 측정값실험 1 ) 완전 탄성 충돌 활차 한 개를 사용한 경우활차의 질량 : m = 203.9g속도판의 폭 : 0.1mTRIANGLE t _{ 1}(s)v_{ 1}(m/s)TRIANGLE t _{ 1}+ TRIANGLE t' _{ 1}(s)TRIANGLE t' _{ 1}(s)v' _{ 1}(m/s)v' _{ 1,E}(m/s)v' _{ 1,T}(m/s)상대오차(%)10.1380.7250.2900.1520.7250.6589.2420.1400.7140.2940.1540.7140.6499.1030.1360.7350.2860.1500.7350.6679.2540.1410.7090.2940.1530.7090.6547.7650.1350.7410.28판의 폭 : 0.1m활차 1활차 2TRIANGLE t _{ 1}(s)v_{ 1}(m/s)TRIANGLE t' _{ 1}(s)v' _{ 1}(m/s)TRIANGLE t prime _{2}(s)v prime _{2}(m/s)v' _{ 2,E}(m/s)v' _{ 2,T}(m/s)상대오차(%)10.1400.7141.726-0.0570.2850.3510.71450.8420.1330.7521.475-0.0670.2770.3610.75251.9930.1330.7521.510-0.0660.2760.3620.75251.8640.1330.7521.511-0.0660.2750.3640.75251.650.1400.7141.566-0.0630.2890.3460.71451.54실험 3 ) 완전 탄성 충돌 질량이 다른 두 활차의 경우(가벼운 활차에 힘을 가할 때)활차의 질량 : m_{ 1} = 203.9g , m_{ 2} = 313.5g속도판의 폭 : 0.1m활차1활차2충돌 전충돌 후충돌 후DELTA t _{1}(s)v _{1}(m/s)DELTA t _{ 1} ^{prime }(s)v_{ 1,E} ^{ '}(m/s)v_{ 1,T} ^{ '}(m/s)상대오차(%)DELTA t _{ 2} ^{prime }(s)v_{ 2,E} ^{ '}(m/s)v_{2,T} ^{ '}(m/s)상대오차(%)10.1420.7040.884-0.113-0.14924.230.3340.2990.55446.1120.1320.7580.793-0.126-0.16021.530.3140.3180.59746.7730.1570.6371.029-0.097-0.13428.110.3660.2730.50245.6240.160.6251.039-0.096-0.13227.490.3680.2720.49244.7850.1510.6620.984-0.102-0.14027.260.3500.2860.52145.19실험 4 ) 완전 탄성 충돌 질량이 다른 두 활차의 경우(무거운 활차에 힘을 가할 때)활차의 질량 : m_{ 1} = 313.5g , m_{ rime }(s)v_{ 1,E} ^{ '}(m/s)v_{ 1,T} ^{ '}(m/s)상대오차(%)DELTA t _{ 2} ^{prime }(s)v_{ 2,E} ^{ '}(m/s)v_{2,T} ^{ '}(m/s)상대오차(%)10.1630.6131.148-0.087-0.13033.300.3050.3280.74355.8820.1680.5951.119-0.089-0.12729.700.3160.3160.72256.2130.1740.5751.204-0.083-0.12232.160.3260.3070.69755.9840.1760.5681.158-0.086-0.12128.840.3310.3020.68956.1650.2160.4631.340-0.075-0.09923.870.4070.2460.56256.196. 실험 결과실험 1 ) 완전 탄성 충돌 - 활차 한 개를 사용하는 경우완전 탄성 충돌일 때 v _{1}과 v _{1} ^{'}의 값은 같고 방향이 반대이다. 따라서mv _{1} =mv _{1} ^{'}식이 성립하여 운동량이 보존됨을 알 수 있다. 실제 실험에서 측정한 결과 약 8.96% 의 오차 내에서 운동량이 보존되는 것을 확인 할 수 있었다.실험 2 ) 완전 탄성 충돌 - 질량이 같은 두 활차의 경우실험 원리에서 살펴본 완전 탄성 충돌 식에서 두 개의 식이 성립한다.v'_{ 2 } = { 2m_{ 1 } } over { m_{ 1 } +m_{ 2 } } v_{ 1 }v'_{ 1 } = { m_{ 1 } -m_{ 2 } } over { m_{ 1 } +m_{ 2 } } v_{ 1 }식에서 m_{ 1}=m _{ 2}=203.9g 이므로 v_{ 2} ^{ '}=v _{1}이고, v _{1} ^{ '}= 0이 된다.실제 실험에서 측정한 결과 약 51.57% 오차범위 내에서 운동량이 보존되는 것을 확인 할 수 있었다.실험 3 ) 완전 탄성 충돌 - 질량이 다른 두 활차의 경우(가벼운 활차에 힘을 가할 때)실험 2와 마찬가지로 완전 탄성 충돌이므로 < 식 8, 9 >가 성립한다.식
일반물리학 실험보고서고체의 비열학과 : 전자공학과학번 :이름 :공동실험자 :담당교수 :담당조교 :실험날짜 :제출날짜 :학과전자공학과학번이름실험일시공동실험자담당조교온도x습도x기압x0. 실험 목적물 열량계를 이용하여 물질의 비열을 측정하는 과정을 이해하고 물질의 종류에 따라 비열이 다름을 이해한다.2. 실험 원리물체에 열을 가하면 물체의 온도가 변화되거나 물체의 상태가 변한다. 질량이m인 물체에Q만큼의 열을 가하여 물체의 온도가T sub 1에서T sub 2으로 변하였다면, 물체의 비열c는 다음과 같이 정의된다.c~=~ {Q} over {m(T _{2} -T _{1} )} ~~(cal/g DEG C)온도가 다른 두 물체를 열적으로 접촉시키면 고온의 물체로부터 저온의 물체로 열이 이동한다. 그리고 충분한 시간이 지나면 두 물체의 온도가 같게 되는 열적 평행 상태에 도달한다. 이때 두 물체가 외부와 열적으로 차단된 열량계 내에 있다면 고온의 물체가 잃은 열량은 저온의 물체가 얻은 열량과 같게 된다.온도가T sub 1인 물(질량m sub 1, 비열c sub w)이 담겨져 있는 열량계(질량m sub 3, 비열c sub 3)에 온도가T sub 2로 가열된 물체 (질량m sub 1, 비열c)를 넣은 후 열적 평행 상태에 도달하면 물체와 물, 열량계가 모두 같은 온도T sub 3가 된다. 이 때 열의 흐름을 기술하는 방식은cm(T sub 2 ~-~T sub 3 )~=~c sub w m sub 2 (T sub 3 ~-~ T sub 1 ) ~+~ c sub 3 m sub 3 (T sub 3 ~-~ T sub 1 )이며, 물체의 비열c는 다음과 같다.c~=~ {(c sub w m sub 1 ~+~ c sub 3 m sub 3 )} over m ~{(T sub 3 ~-~ T sub 1 )} over {(T sub 2 ~-~ T sub 3)}그런데 열량계 내의 용기, 젓개, 온도계 등의 비열을 모 두 고려할 수 없으므로 열량계와 관련된 물체의 비열을 물당량(물과 비열이 다른 물질의 물과 같다고 할 때 이에 환산되는 물의 질량)으로 환산 하여 계산하면 편리하다.열량계의 물당량을M이라 두면 (식2)와 (식3)은cm(T sub 2 ~-~ T sub 3 ) ~=~ c sub w (m sub 1 ~+~ M) (T sub 3 ~-~ T sub 1 )c~=~ {c_w (m_1 + M)} over m {(T_3 - T_1 )} over {(T_2 -T_3 )}이 된다, 여기서 물의 비열c sub w는1cal/g℃이다.비열이란 어떤 물질 1g의 온도를 1℃만큼 올리는 데 필요한 열량이다. 어떤 물질 1g을 1℃ 올리는 데 드는 열량은 물질에 따라 다르다. 예를 들어, 1g의 물을 1℃ 올리는 데 드는 열량은 1cal이고 1g의 구리를 1℃ 올리는데 드는 열량은 0.0924cal 이다. 이는 물질이 갖는 고유한 특성 중의 하나이다.3. 실험 기구 및 재료열량계(용기 및 온도계), 시료(알루미늄, 철, 구리, 황동), 전열기, 비커, 저울4. 실험 방법실험 ) 시료의 비열 측정① 질량m _{1}인 실온의 물을 열량계에 넣고 온도T _{1}을 측정한다. 물의 양은 시료가 열량계 내에서 잠길 정도로 정한다.② 질량m, 비열c인 시료(알루미늄, 철, 구리, 황동)를 끓는 물속에 넣고 열평형이 될 때까지 기다린 후 시료 온도T _{2}를 측정한 다음 시료를 재빨리 건져내어 열량계 속에 넣는다.③ 젓개로 저으면서 평형 온도T _{3}를 측정한다.? < 식 3 > 를 사용하여 시료의 비열c를 구한다.? 열량계를 건조시킨 후 다른 종류의 시료를 사용하여 ?~?의 과정을 반복한다.5. 측정값실험 ) 시료의 비열< 표 1 > 알루미늄 측정값시료m _{1}(g)T _{1}(℃)m(g)T _{2}(℃)T _{3}(℃)c(cal/g DEG C)알루미늄295.221.327.2100.022.80.210295.222.927.2100.024.40.215295.224.327.2100.025.70.204평균0.210표준오차0.003< 표 2 > 철, 황동, 구리 측정값시료m _{1}(g)T _{1}(℃)m(g)T _{2}(℃)T _{3}(℃)c(cal/g DEG C)철307.122.850.4100.024.30.120황동307.124.250.1100.025.40.098구리307.125.349.4100.026.40.0926. 실험 결과< 표 3 > 실험 결과시료참 값측정값알루미늄0.21cal/g DEG C0.210cal/g DEG C철0.12cal/g DEG C0.120cal/g DEG C황동0.09cal/g DEG C0.098cal/g DEG C구리0.09cal/g DEG C0.092cal/g DEG C알루미늄의 비열 측정값은 0.210± 0.003cal/g DEG C철의 비열 측정값은 0.120cal/g DEG C황동의 비열 측정값은 0.098cal/g DEG C구리의 비열 측정값은 0.092cal/g DEG C 이다.7. 결과에 대한 논의알루미늄, 철, 황동, 구리의 비열을 알아보기 위해 열량계 속 물의 질량, 실험 전 물 온도, 시료의 질량, 끓는 물과 열평형 상태인 시료의 온도, 시료를 열량계 속에 넣은 후의 평형 온도를 측정했다. 그리고c~=~ {(c sub w m sub 1 ~+~ c sub 3 m sub 3 )} over m ~{(T sub 3 ~-~ T sub 1 )} over {(T sub 2 ~-~ T sub 3)}을 이용하여 시료의 비열을 구할 수 있었다. 실제 비열은 알루미늄, 철, 황동, 구리 순으로 0.21, 0.12, 0.09, 0.09cal/g DEG C 인데 측정값 또한 0.210±0.003, 0.120, 0.098, 0.092cal/g DEG C 로 실제 값과 유사하게 측정된 것을 알 수 있었다. 오차가 매우 적은 편이지만 약간의 오차는 전열기에서 끓는 물과 열평형 상태가 된 시료를 옮기는 과정에서 발생한 열 손실과 평형 온도를 측정할 때 변화가 더 있었을 수 있음에도 불구하고 변화가 느려진 시점을 기록한 것이 원인이 되었다.8. 결론
일반물리학 실험보고서축전기의충전과 방전학과 : 전자공학과학번 :이름 :공동실험자 :담당교수 :담당조교 :실험날짜 :제출날짜 :1. 실험 목적축전기의 충전과 방전 과정을 관찰하여 축전기의 기능을 알아본다.2. 실험 원리(1) 축전기의 충전 과정축전기, 저항, 기전력 장치로 구성된 직렬회로를 생각하자. 축전기가 초기에 충전되지 않았고 스위치가 열려 있으면 회로에는 전류가 흐르지 않는다. 시간 t = 0일 때 스위치를 닫으면 전류가 회로에 흐르기 시작하여 축전기에 충전이 된다. 시간 t일 때 축전기에 충전된 전하가 q라면 이는 전류에 의한 것으로 전하의 시간 변화율은 전류와 같다.I=dq/dt축전기의 전하는 축전기에TRIANGLE V=q/C 의 전위차를 만든다. 축전기에 전하가 충전되어TRIANGLE V=V _{eqalign{0#}}가 되면 회로에는 전류가 흐르지 않게 되며, 이때 충전된 전하량은Q= TRIANGLE VC=V _{0} C 가 된다.시간에 따라 축전기에 충전된 전하량, 전위차, 회로에 흐르는 전류를 알아보기 위해 주어진 회로에 Kirchhoff 제 2법칙을 적용하면 다음과 같이 된다.{q} over {C} +IR=V _{0}여기에 식 (27.1)을 대입하면 다음과 같다. (책 참조){dq} over {q-V _{0} C} =- {1} over {RC} dt초기조건, 즉 t = 0일 때 축전기의 전하량이 q = 0이라는 것을 적용하면 위 미분방정식의 해는 다음과 같다.q=V _{0} C(1-e ^{-t/RC} )이때 최댓값의 63.2%까지 충전되는 데 걸리는 시간 t = RC를 시정수(time constant)라 부른다.축전기에 걸리는 전위차는 다음과 같이 전하량과 비례하고 같은 시간의 함수로 나타난다.TRIANGLE V=V _{0} (1-e ^{-t/RC} )회로에 흐르는 전류는 다음과 같이 시간에 따라 지수적으로 감소하고 시정수는 초기 전류값에 대해 36.8% 감소하는 데 걸리는 시간이라는 것을 알 수 있다.I= {dq} over {dt} = {V 계산하기 위하여 주어진 회로에 Kirchhoff 제 2법칙을 적용하면 다음과 같이 된다.{q} over {C} +IR=0여기에 식 (27.1)을 대입하면 다음과 같다. (책 참조){dq} over {q} =- {1} over {RC} dt초기조건, 즉 t = 0일 때 축전기의 전하량이 q = Q = VC라는 것을 적용하면 위 미분방정식의 해는 다음과 같다.q=V _{0} C _{e} ^{-t/RC}I= {dq} over {dt} =- {V _{0}} over {R} e ^{-t/RC}전하량과 전류는 시간에 대해 지수적으로 감소하며 t = RC일 때는 초기값에 대해 63.2%로 감소하게 된다. 전류의 (-) 부호는 충전되는 경우와 반대로 전류가 흐르는 것을 나타낸다.3. 실험 기구 및 재료축전기(100mu F, 330mu F), 저항(50kΩ, 100kΩ), 직류 전원 공급기, 멀티미터 2개, 초시계4. 실험 방법실험 1 ) 충전 과정① 표시된 축전기의 용량과 저항의 저항값을 기록하고, 저항과 축전기를 직렬로 연결하고 전류를 측정하는 멀티미터는 저항과 직렬로, 전압을 측정하는 멀티미터는 축전기와 병렬로 연결하여 회로를 구성하라.② 전원 공급기의 전원을 켜고 충전 과정이 일어나도록 스위치를 전환한다. 일정한 시간 간격으로 축전기 양단의 전압V _{C}와 회로에 흐르는 전류I를 측정하여 기록한다.▶ 측정 전에 멀티미터는 직류로 맞춘다.실험 2 ) 방전 과정③ 방전 과정이 일어나도록 스위치를 전환한다.④ 일정한 시간 간격으로 축전기 양단의 전압과 회로에 흐르는 전류를 측정하여 기록한다.⑤ 축전기와 저항을 바꾸고 ①~④의 과정을 반복한다.⑥ 시간(t) 대 전압(V _{C}), 시간(t) 대 전류(I)의 그래프를 그린다.⑦ 시간(t) 대 로그전압(lnV _{C}), 시간(t) 대 로그전류(lnI)의 그래프를 그리고 기울기로부터 시정수를 구한다.5. 측정값C= 100mu FR= 50kΩV _{eqalign{0#}}= 10.0VI _{0}= 0.2mA< 표 1 > C= 129-1.820.5420.1382.78-1.981.982-0.1356.31-2.001.3130.1164.47-2.151.713-0.1135.76-2.181.4440.0895.38-2.421.534-0.0874.40-2.441.7250.0756.13-2.591.355-0.0733.67-2.621.8560.0647.03-2.751.096-0.0613.07-2.801.9470.0547.29-2.921.007-0.0512.57-2.982.0180.0427.92-3.170.738-0.0391.96-3.242.0890.0358.25-3.350.569-0.0331.65-3.412.12100.0308.54-3.510.3810-0.0261.38-3.652.15110.0248.88-3.730.1111-0.0221.16-3.822.18120.0209.06-3.91-0.0612-0.0180.97-4.022.20130.0179.21-4.07-0.2413-0.0150.75-4.202.22140.0159.33-4.20-0.4014-0.0120.63-4.422.24150.0129.49-4.42-0.6715-0.0090.48-4.712.25160.0109.57-4.61-0.8416-0.0080.41-4.832.26170.0089.68-4.83-1.1417-0.0070.34-4.962.27180.0079.73-4.96-1.318-0.0060.29-5.162.27190.0069.77-5.12-1.4719-0.0050.24-5.302.28200.0059.81-5.30-1.6620-0.0040.19-5.522.28210.0059.85-5.30-1.9021-0.0030.16-5.812.29220.0049.89-5.52-2.2122-0.0030.13-5.812.29C= 330mu FR= 100kΩV _{eqalign{0#}}= 10.0VI _{0}= 0.1mA< 표 2 > C= 330, R= 100 측정값충전 과정방전 과정t(s)I(mA)V _{C}(V)ln Iln(V _{0} `-`V _{C})t(01.8018-0.0626.21-2.781.33240.0534.80-2.941.6524-0.0535.24-2.941.56300.0445.64-3.121.4730-0.0454.49-3.101.71360.0396.21-3.241.3336-0.0383.84-3.271.82420.0336.77-3.411.1742-0.0333.25-3.411.91480.0297.22-3.541.0248-0.0282.79-3.581.98540.0257.62-3.690.8754-0.0242.36-3.732.03600.0217.97-3.860.7160-0.0201.98-3.912.08660.0188.26-4.020.5566-0.0171.72-4.072.11720.0168.47-4.140.4372-0.0151.48-4.202.14780.0148.67-4.270.2978-0.0121.24-4.422.17840.0128.86-4.420.1384-0.0111.07-4.512.19900.0119.00-4.510.0090-0.0090.91-4.712.21960.0099.15-4.71-0.1696-0.0080.79-4.832.221020.0089.24-4.83-0.27102-0.0070.67-4.962.231080.0079.36-4.96-0.45108-0.0060.58-5.172.241140.0079.42-4.96-0.54114-0.0050.50-5.302.251200.0069.49-5.12-0.67120-0.0040.44-5.522.261260.0059.56-5.30-0.82126-0.0040.37-5.522.261320.0059.61-5.30-0.94132-0.0030.32-5.812.276. 실험 결과① C= 100mu FR= 50kΩV _{eqalign{0#}}= 10.0VI _{0}= 0.2mA< 그래프 1 > 실험 ① t-I 그래프< 그래프 2 > 실험 ① t-Vc 그래프< 그래프 3 > 실험 ① t-ln I 그래프충전 과정 기울기 = -0.18방전 과정 기울기 = -0.1956< 그래프 40mu FR= 100kΩV _{eqalign{0#}}= 10.0VI _{0}= 0.1mA< 그래프 5 > 실험 ② t-I 그래프< 그래프 6 > 실험 ② t-Vc 그래프< 그래프 7 > 실험 ② t-ln I 그래프충전 과정 기울기 = -0.1383방전 과정 기울기 = -0.1574< 그래프 8 > 실험 ② t-ln(V0-Vc) 그래프이론값 시정수 = 33s그래프로 구한 충전 과정 시정수 = 7.23s그래프로 구한 방전 과정 시정수 = 6.35s충전 과정 시정수 상대오차 = 78.09%방전 과정 시정수 상대오차 = 80.75%7. 결과에 대한 논의두 번의 실험을 진행하면서 총 8개의 그래프를 얻었다. 각 실험의 t-ln I 그래프를 통해 시정수를 얻을 수 있었는데 실험 ①은 이론값 시정수 5s이고 충전 과정에서 5.56s, 방전 과정에서 5.11s를 구했다. 실험 ②는 이론값 시정수가 33s이고 충전 과정에서 7.23s, 방전 과정에서 6.35s를 구했다.이론값과 실험값 사이에서 오차가 발생했는데 실험 중 동영상을 촬영하고 확인 하는 과정에서 매우 정밀하게 확인할 수 없었던 것과 실제 저항의 값이 공정 과정에서 정확하게 나오지 않은 것을 원인으로 꼽을 수 있다. 실험 ②에서 특히 오차가 크게 발생했는데 그 이유는 실험 ①보다 시간이 훨씬 오래 걸렸고 그로 인해 스마트폰으로 긴 영상을 짧은 영상보다 자세하게 확인하기가 힘들어서 정밀하게 확인 하지 못했기 때문이다.8. 결론이 실험은 축전기의 충전과 방전 과정을 통해 축전기의 기능에 대해 알아보는 실험이었다. 각 실험 결과의 충전과 방전 그래프를 보면 전류는 시간에 따라 지수적으로 증가, 감소하는 것을 확인할 수 있으며 전압은 로그적으로 증가, 감소하는 것을 확인 할 수 있다.이론값 시정수를 t = RC 식을 통해 구하고 실험으로 실험값을 구해보았다. 실험값을 구하는 방법은 (t ? ln I 그래프의 기울기의 역수) × (-1) 이다. 실험 ①에서는 충전 때 5.56s, 방전 때 5.11s, 실험 ②에서는 충전 때 위 대신
일반물리학 실험보고서직류 회로학과 : 전자공학과학번 :이름 :공동실험자 :담당교수 :담당조교 :실험날짜 :제출날짜 :1. 실험 목적여러 개의 저항체와 직류 기전력으로 구성된 직류회로와 병렬회로에 걸리는 전압과 이 회로에 흐르는 전류를 전압계와 전류계로 측정하여 옴의 법칙과 키르히호프의 법칙을 확인한다.2. 실험 원리(1) Ohm의 법칙금속 도체는 전도 전자들을 가지고 있다. 전도 전자들의 열적 운동은 불규칙적이어서 알짜 전류를 만들지는 않지만, 외부에서 전기장을 가하면 전도전자들은 전기장과 반대방향으로 움직이며 전류를 만든다.Ohm의 법칙은 다음과 같다.“일정한 온도에서 금속 도체의 두 점사이의 전위차와 전류의 비는 일정하다.”이 일정한 비를 두 점 사이의 전기 저항 R이라 하며 단위는OMEGA (Ohm)이다. 따라서 도체 양끝사이의 전위차(전압)가TRIANGLE V이고 전류가 I이면 Ohm의 법칙은 다음과 같이 쓸 수 있다.TRIANGLE V=RI~~~or~~ {TRIANGLE V} over {I} =ROhm의 법칙은 넓은 범위의TRIANGLE V,I및 온도영역에서 잘 만족이 되며I에 대한TRIANGLE V의 값은 그림으로 그리면 직선이 되고 이 직선의 기울기가 도체의 저항을 나타낸다. 그러나 Ohm의 법칙을 따르지 않는 물질도 많이 있음을 유의해야 한다. 저항의 단위인OMEGA 은 식 (22.1) 로부터 V/A 또는m ^{2} kgs ^{-1} C ^{-2} 임을 알 수 있는데 양끝사이의 전위차를 1V로 유지할 때 1A의 전류가 흐르면 도체의 저항은 1OMEGA 이 된다. 일반적으로 거의 모든 물체는 저항이 있으며, 저항이 있는 물체를 저항체라 한다.(2) 저항의 연결직렬연결저항의 직렬연결에서 모든 저항체에는 같은 전류I가 흐른다. Ohm의 법칙에 의하여 각 저항 양단의 전위차는V _{1} =R _{1} I,~~V _{2} =R _{2} I,~~V _{3} =R _{3} I이다. 그러므로 전위차의 합은 다음과 같이 된다.V _{S} =V _{1} +V _{ver {R _{1}} ,~~I _{2} = {V _{P}} over {R _{2}} ,~~I _{3} = {V _{P}} over {R _{3}}이고 회로에 흐르는 총 전류I는I=I _{1} +I _{2} +I _{3} = LEFT ( {1} over {R _{1}} + {1} over {R _{2}} + {1} over {R _{3}} RIGHT ) V _{P}이다. 이 회로는 사실상I = V_P over R_P을 만족하는 단일저항R_P로 치환될 수 있으므로 저항의 병렬연결에 대한 합성저항은 다음과 같다.{1} over {R _{P}} = {1} over {R _{1}} + {1} over {R _{2}} + {1} over {R _{3}}(3) 전기 회로망에서 전류를 계산하는 방법(Kirchhoff의 법칙)전기 회로는 저항체들과 기전력 장치로 구성되어 있다. 각 저항체들에 흐르는 전류를 구하기 위해서 Kirchhoff의 법칙으로 잘 알려진 법칙을 사용한다. 이 법칙은 단지 전하 보존과 에너지 보존 법칙을 회로망에 적용한 것이다. Kirchhoff 법칙은 다음과 같이 기술될 수 있다.- 제 1 법칙 : 회로망 내의 한 접점에서 모든 전류의 합은 0 이다.- 제 2 법칙 : 회로망 내의 임의의 닫힌 경로에서 모든 전위차의 합은 0 이다.제 1 법칙은 전하가 한 접점에 도달한 그 순간에 그곳을 떠나게 되어 전하가 보존됨을 나타내며, 제2법칙은 전하가 닫힌회로를 흘러 처음 위치로 되돌아오면 그 전하의 순 에너지 변화는 0이 되어야 하므로 에너지가 보존됨을 나타낸다.제1법칙을 적용할 때는 접점에서 나가는 전류는 양으로, 접점으로 들어오는 전류는 음으로 약속한다.제 2법칙을 적용할 때는 아래의 약속을 따른다.- 저항 양끝의 전위차의 부호는 계산 경로가 전류와 같은 방향인지 혹은 반대 방향인지에 따라 양 또는 음으로 선택한다.- 기전력 장치를 지날 때에는 기전력 장치가 작용하는(전위가 증가) 방향인지 혹은 반대 방향(전위가 감소)인지에 따라 음 또는 양으로 선택한다.실험 1 ) 직렬 회로? 색 저항 3개를 브레드보드에 직렬로 연결하여 직렬 회로를 구성한다.? 직류 전원 공급기의 전압 조정 손잡이를 반시계 방향 끝까지 돌린 후 전원을 넣고 출력선을 회로에 연결한 다음 인가 전압V_s를 0.5 V 가 되도록 조정 손잡이를 돌린다.? 멀티미터로 저항R _{1} ,R _{2} `,`R _{3} 양단의 전위차V _{1} `,`V _{2} `,`V _{3}와 전류 I를 측정한다.? 전체 전압V _{s}를 0.5V 씩 증가시키면서 과정 ?을 반복한다.? 전원 공급기의 출력선을 회로에서 분리한 후 멀티미터로R _{1} ,R _{2} `,`R _{3} 와R _{s}를 측정한다.? 각 저항 양단의 전위차 대 전류 그래프를 그리고, 최소 제곱법을 이용하여R _{1} ~,R _{2} `,`R _{3}와R _{s}를 구한다.? 색코드의 저항값, 실험 저항값 그리고 멀티미터로 측정한 저항값을 비교한다.실험 2 ) 병렬 회로? 색 저항 3개를 브레드보드에 병렬로 연결하여 병렬 회로를 구성한다.? 직류 전원 공급기의 전압 조정 손잡이를 반시계 방향 끝까지 돌린 후 출력선을 회로에 연결한 다음 인가 전압V _{p}를 0.5V가 되도록 조정 손잡이를 돌린다.? 멀티미터로R _{1} ,R _{2} `,`R _{3} 양단의 전위차V _{p} 와 각 저항에 흐르는 전류I _{1} `,`I _{2} `,`I _{3}와 전체 전류 I를 측정한다.? 전체 전압V _{p} 를 0.5V 씩 증가시키면서 과정3을 반복한다.? 전원 공급기의 출력선을 회로에서 분리한 후 멀티미터로R _{1} ,R _{2} `,`R _{3}와R _{p}를 측정 한다.? 각 저항 양단의 전위차 대 전류 그래프를 그리고 , 최소 제곱법을 이용하여R _{1} ,R _{2} `,`R _{3}와R _{p}를 구한다.? 색코드의 저항값, 실험 저항값 그리고 멀티미터로 측정한 저항값을 비교한다.5. 측정값실험 1 ) 직렬 회로색코드에 나타난 저항값 :R_{ 1}= 1㏀±5%R_{ 2}= 1.5㏀±5%R0.8233.00.8000.8111.2190.9733.50.9300.9451.4191.1334.01.0691.0991.6521.3204.51.2031.2101.8181.4525.01.3301.3482.0301.620실험 2 ) 병렬 회로색코드에 나타난 저항값 :R_{ 1}= 1㏀±5%R_{ 2}= 1.5㏀±5%R_{ 3}= 1.2㏀±5%멀티미터로 측정한 저항값 :R_{ 1}= 0.986㏀R_{ 2}= 1.486㏀R_{ 3}= 1.188㏀< 표 3 > 실험 2 측정값V _{p}I(mA)I_{ 1}(mA)I_{ 2}(mA)I_{ 3}(mA)0.51.360.560.370.471.02.581.010.690.851.53.771.551.041.292.04.801.961.321.642.56.132.531.692.113.07.303.012.012.513.58.463.482.332.904.09.854.062.723.394.510.904.493.003.745.012.225.043.384.226. 실험 결과실험 1 ) 직렬 회< 표 4 > 실험 1 전압의 상대오차V_{ s}V_{ 1}+V _{ 2}+V _{ 3}(V)상대오차(%)0.50.55210.41.00.9960.41.51.5171.12.02.0140.72.52.5401.63.03.0030.13.53.4970.14.04.0711.84.54.4800.45.04.9980.04로전압의 이론값과 측정값의 상대오차는 위의 표와 같다.< 그래프 1 > 실험 1 I와 V1의 관계에서 나온 R1 그래프그래프의 기울기 : 1.0158그래프의 기울기 =R_{ 1} : 1.016㏀멀티미터로 측정한 저항값R_{ 1} : 0.986㏀멀티미터로 측정한 값과 그래프로 구한 값의 상대오차 : 3.04%색 코드로 읽은 저항값R_{ 1} : 1㏀(±5%)색 코드로 읽은 값과 그래프로 구한 값의 상대오차 : 1.60%< 그래프 2 > 실험 1 I와 V2의 관계에서 나온 R2 그래프그래프의 기울기 : 1.5295그래프의 기울기 =R_{ 2} : 1.530㏀멀티미터로 측정한 값과 그래프로 구한 값의 상대오차 : 2.78%색 코드로 읽은 저항값R_{ 3} : 1.2㏀(±5%)색 코드로 읽은 값과 그래프로 구한 값의 상대오차 : 1.75%그래프로 구한 전체 저항R_{ s} : 3.767㏀멀티미터로 측정한 전체 저항R_{ s} : 3.660㏀전체 저항의 상대오차 : 2.92%실험 2 ) 병렬 회로< 표 5 > 실험 2 전류의 상대오차I(mA)I _{1}+I _{ 2}+I _{ 3}(mA)상대오차(%)1.361.402.942.582.551.163.773.882.924.804.922.506.136.333.267.307.533.158.468.712.969.8510.173.2510.9011.233.0312.2212.643.44< 그래프 4 > 실험 2 V와 I1의 관계에서 나온 R1 그래프그래프의 기울기 : 1.0023그래프의 기울기 =R_{ 1} : 1.002㏀멀티미터로 측정한 저항값R_{ 1} : 0.986㏀멀티미터로 측정한 값과 그래프로 구한 값의 상대오차 : 1.62%색 코드로 읽은 저항값R_{ 1} : 1㏀(±5%)색 코드로 읽은 값과 그래프로 구한 값의 상대오차 : 0.20%< 그래프 5 > 실험 2 V와 I2의 관계에서 나온 R2 그래프그래프의 기울기 : 1.499그래프의 기울기 =R_{ 2} : 1.499㏀멀티미터로 측정한 저항값R_{ 2} : 1.486㏀멀티미터로 측정한 값과 그래프로 구한 값의 상대오차 : 0.87%색 코드로 읽은 저항값R_{ 2} : 1.5㏀(±5%)색 코드로 읽은 값과 그래프로 구한 값의 상대오차 : 0.07%< 그래프 6 > 실험 2 V와 I3의 관계에서 나온 R3 그래프그래프의 기울기 : 1.2009그래프의 기울기 =R_{ 3} : 1.201㏀멀티미터로 측정한 저항값R_{ 3} : 1.188㏀멀티미터로 측정한 값과 그래프로 구한 값의 상대오차 : 1.09%색 코드로 읽은 저항값R_{ 3} : 1.2㏀(±5%)색 코드로 읽은 값과 그래프로 구한 값의 상대오차 : 0.08%그래프로 구한 전체.